基于MATLAB的通信原理仿真平台设计

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1、毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）题 目： 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计院 （系）： 通信与信息工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： XXX 学生姓名： XXX 导师姓名： XXX 职称： 讲师 起止时间： 2012 年 1 月 2 日至 2012 年 6 月 15 日 毕业设计毕业设计（ （论论文）文）诚诚信声明信声明书书本人声明：本人所提交的毕业论文基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢

2、。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。论文作者： （签字） 时间：2012 年 6 月 15 日指导教师已阅： （签字） 时间：2012 年 6 月 15 日 毕业设计毕业设计( (论文论文) )任务书任务书 学生姓名学生姓名XXX指导教师指导教师XXX职称职称讲师讲师院院(系系) 通信与信息工程学院通信与信息工程学院专业专业电子信息科学与技术电子信息科学与技术题目题目基于基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计的通信原理仿真平台设计 任务与要求任务与要求1、理解通信原理各部分基本概念2、学习 MATLAB 的基本编程方法3、用 MATLAB 实现各算法的仿真开始日期开始日期2012

3、年年 1 月月 2 日日完成日期完成日期202012 年年 6 月月 15 日日院院 长长(签字签字) 2012年年 1月月 6日日毕毕 业业 设设 计计 ( (论文论文) ) 工工 作作 计计 划划 20122012 年年 1 1 月月 2 2 日日 学生姓名学生姓名_ _XXX_XXX_ _指导教师指导教师_XXXXXX _职称职称_ 讲师讲师_ _ _院（系）院（系）_ _通信与信息工程学院通信与信息工程学院_专业专业_ _电子信息科学与技术电子信息科学与技术 题目题目_ _ 基于基于 MATLABMATLAB 的通信原理仿真平台设计的通信原理仿真平台设计 工作进程工作进程1 月 2 日

4、至 1 月 6 日 调研实现通信原理仿真方法的现状，查阅相关资料。1 月 9 日至 2 月 2 日 学习通信原理的相关知识。3 月 5 日至 3 月 16 日 熟悉 MATLAB 语言。3 月 19 日至 4 月 27 日 编写仿真实现程序。4 月 30 日至 5 月 18 日 撰写论文，完成论文初稿。5 月 21 日至 5 月 25 日 完善并修改毕业论文。5 月 28 日至 6 月 15 日 准备答辩。起 止 时 间工 作 内 容主要参考书目(资料)1.樊昌信.通信原理 M.北京:国防工业出版社.2008.9.2.罗华飞.基于 MATLAB GUI 设计学习手记 M.北京:北京航空航天大学

5、出版社.2009.8.3.陈杰.MATLAB 宝典M.北京:电子工业出版社.2010.3.1.计算机一台每周指导一次，主要解答学生问题，指导研究进度，并检查阅读资料笔记和仿真程序。本计划为开题之初所定，后续会根据具体情况随时调整，最终一定按毕业设计规定结束日期完成。主要参考书目(资料)主要仪器设备及材料论文(设计)过程中教师的指导安排对计划的说明毕业设计(论文)开题报告通信与信息工程学院 院（系） 电子信息科学与技术专业 08级 03 班课题名称：基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计 学生姓名： XXX 学号：XXX指导教师： XXX 报告日期： 2012 年 2 月 27 日 1本课题

6、所涉及的问题及应用现状综述本课题所涉及的问题本课题所涉及的问题： ：1、研究实现通信原理仿真方法的现状2、如何使用 MATLAB 图形用户界面设计通信原理方针平台，实现通信中常见技术，如：模拟调制、数字调制、抽样与量化、数字基带传输系统的分析和仿真，并要求该平台操作简单方便，具有良好的可扩展特性。3、基于 MATLAB 的通信原理仿真平台的应用趋势 应用现状综述：应用现状综述：近几年来通信原理课程的教学实践表明，通信原理是通信类专业的一门极为重要的专业基础课程，主要研究信息传递一系列变换的机理和属性，该门课程内容多且抽象，它包括：信号分析、调制解调、同步、检测过滤、纠错编码、信号特性等理论方面

7、的内容。课程理论性很强,加强实践环节就显得更重要。通过实践环节,可以较好地提高学生对抽象概念的理解能力。采用计算机仿真可以帮助学生理解抽象的知识点，提高教学效果。通信原理中，常常借助于各种信号的时域波形图以及频谱图来说明系统的原理，指出相应的电路设计应达到的目标。要将承载消息的信号保质保量地传送给接收者，就必须对它们进行各种处理，而这些处理过程中会用到大量的数学计算。而 MATLAB 以数组为基本处理对象，具有丰富的矩阵运算功能，并且 MATLAB 是一个开放性的系统，具有模块化的结构，任何用户自己已定义的函数都可作为 MATLAB 函数进行调用。因此，通信原理仿真平台选择 MATLAB 作为

8、开发环境，借助于 MATLAB 的图形用户界面设计向导进行软件界面设计，所有仿真功能采用MATLAB 语言编程实现，更便于学生进行课程设计、创新实验、参与教师的科学研究等。因此，基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计已经成为教学大纲的内容要求和课程特点，将通信系统中的关键技术编制成仿真软件用于计算机辅助教学中，使通信系统中的抽象问题形象化，为通信原理课程提供了一个有效的辅助教学手段，这将会对提高通信原理教学和学习的效率起到很大的作用，有助于同学们理解和接受，既提高了教学质盘和效率，又可为学生提供良好的通信系统开发、设计、模拟、调试和分析平台，锻炼其分析和解决问题的能力，并在功能上为其为后期

9、开发网络化教学、远程教学打下了基础。通信原理仿真平台模拟调制数字调制量化模块抽样模块数字基带传输系统分析和仿真通信原理仿真平台功能图2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析 关键问题：关键问题：1、经过对系统功能的分析，对通信原理仿真平台进行功能模块的提取和确定2、使用界面设计编译器进行 GUI 设计：MATLAB 界面设计编辑器组件平台中包含所有能够在 GUI 中使用的用户界面控件，即按钮、单选按钮、拴牢按钮、复选框、编辑框、静态文本、滚动条、组合框、列表框以及弹出式菜单等3 3、用 GUI 的组件编程实现各个功能模块的调用和链接解决思路：解决思路：1、认真复习通

10、信原理相关知识，掌握相应的专业理论，了解通信原理仿真平台所要实现的功能，以便更好的确认功能模块的组成，划分系统的功能模块。2、熟悉 MATLAB 语言编程，学习 MATLAB 图形用户界面，可以实现简单的功能设计，采用 MATLAB 语言编程实现各个功能模块的 M 文件，形成功能代码库，使之服务于搭建的通信原理仿真平台3、运行通信系统仿真平台的应用程序 M 文件，对它进行反复调试，使界面及各用户控件符合系统预定的功能4、针对设计中出现的各种主要的问题在老师指导下形成课题具体论文报告，并不断完善论文实现预期目标的可行性：实现预期目标的可行性：1、复习通信原理知识，巩固该有的专业理论，理解并掌握通

11、信原理各部分的基本概念和于研究相关的内容，数字基带信号、模拟调制、数字调制、抽样量化和编码等部分尤为重要2、学习了 MATLAB 编程，可以用 MATLAB 实现各算法的仿真及功能，实现数字基带信号分析和仿真模块、模拟调制仿真模块、数字调试仿真模块、抽样、与量化仿真模块等模块的功能，解决模块化功能3、提升自己独立学习、动手的能力，将通信原理理论知识运用到实践中4、培养自己独立开展研究的能力，掌握了科研的基础方法，能对基于MATLAB 的通信原理仿真平台设计有一个很好的理解和学习5、在老师的帮助下，成功设计基于 MATLAB 通信原理仿真平台，并完成相应的论文3完成本课题的工作方案 1、调研实现

12、通信原理仿真方法的现状，查阅并学习相关资料 2、学习通信原理基本知识，掌握数字基带信号、模拟调制信号、数字调制信号、PCM 抽样、量化和编码以及各种信号的波形产生原理等理论知识 3、熟悉 MATLAB 语言，学会 MATLAB 的各种操作、工具箱以及图形用户界面操作环境，然后结合研究问题，能够独立进行仿真。 4、结合通信原理应用，用 MATLAB 编程，实现各个模块功能：数字基带信号单极性、双极性码的分析和仿真；模拟调制信号线性、非线性调制的分析和仿真、数字调制的幅度、移频、移相的仿真；低通抽样和带通抽样的仿真；均匀量化和非均匀量化的仿真等，设计图形用户界面，进行多次 M 文件的调试，以使基本

13、的仿真平台功能得以实现 5、撰写论文，完成论文初稿；最后完善并修改毕业论文4指导教师审阅意见学生开题调研前期基础好，具备研发该课题的软件能力，且态度认真，同意开题。指导教师指导教师(签字)： 2012 年 3 月 4 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第 1 周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。学生姓名XX性别学号专 业班 级课题名称基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计课题类型软件设计难度一般毕业设计（论文）时间年年月月 日日月月日日指导教师课题任务完成情况论文 (千字)； 设计、计算说明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附件)

14、：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)： 2012年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 2012 年 月 日验收小组意见分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩：验收教师(组长)(签字)： 2012 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩

15、： 答辩小组组长(签字)： 2012 年 月 日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩指导教师成绩 20 () 评阅成绩评阅成绩 30 () 验收成绩验收成绩 30 () 答辩成绩答辩成绩 20 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩指导教师成绩 评阅成绩评阅成绩 验收成绩验收成绩 答辩成绩答辩成绩 总评总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 院(系)答辩委员会主任(签字)： 院(系) (签章) 年 月 日备注目录目录摘要摘要-IABSTRACT -II引言引言-11 设计工具介绍设计工具介绍-21.1 MATLAB 简介-21.1.1 MATLAB语言的发展历程和影响-

16、21.1.2 MATLAB语言的特点-21.1.3 MATLAB的工作环境-31.2 MATLAB 在通信原理教学中的应用-31.2.1 MATLAB的应用现状-31.2.2 MATLAB在通信原理教学中的应用-41.3 通信原理仿真平台设计的必要性和可行性 -41.3.1 增加MATLAB内容的必要性和可行性-41.3.2 用MATLAB做通信原理仿真平台的优点-52 基于基于 MATLAB 的通信原理仿真平台整体构建方案的通信原理仿真平台整体构建方案-62.1 仿真平台应用软件设计实现 -62.1.1 总体结构设计-62.1.2 软件实现-62.2 界面的设计方法 -72.2.1 句柄图形

17、及图形用户界面-72.2.2 GUIDE的设计过程-72.2.3 基于MATLAB的通信原理仿真平台主界面-83 基于基于 MATLAB 的通信原理仿真平台模块的通信原理仿真平台模块 -103.1 数字基带信号的仿真-103.1.1 单极性不归零码-103.1.2 单极性归零码-113.1.3 双极性不归零码-123.1.4 双极性归零码-123.1.5 双相码（Manchester）-133.2 模拟调制模块-143.2.1 常规调幅AM -143.2. 2 抑制载波双边带调幅-163.2.3 单边带调制-173.3 数字调制-183.3.1 二进制数字幅度调制-193.3.2 二进制数字频

18、率调制-203.3.3 二进制数字相位调制-223.4 抽样定理-243.5 量化-273.6 眼图-303.7 生成可执行文件-323.8 本仿真平台特点-334 结论结论-34参考文献参考文献-36摘要摘要随着通信原理成为通信类专业中最重要的一门基础课程，它的教学和研究也变得尤为重要，计算机仿真则成为重要手段之一。本文根据通信原理课程的发展及教学需求，重点介绍了利用 MATLAB 软件设计通信原理仿真平台的基本原理及功能，并利用 MATLAB 软件提供的图形用户界面，给出了基于MATLAB 的通信原理仿真平台的 GUI 设计。该平台针对通信原理教学及实验要求，利用设计向导 GUI 提供的设

19、计工具，开发出了多个仿真界面，仿真出通信原理的多个教学实验内容。该平台界面设计简单，结构一体化，具有很强的演示性，且可视性强，操作简单方便，以图形及动态仿真演示了通信原理中部分抽象的内容及波形，能为教师和学生提供简单但高效率的教学辅助。关键字：通信原理； MATLAB； 仿真平台； GUI 设计ABSTRACTWith communication principle becomes the most important of basic courses in communication kind of professional, Teaching and Researching has bec

20、ame more and more important, and the computer simulation has became one of the important means. According to the communication principles of curriculum development and teaching needs, the article focusing the basic principles and functions of the communication theory simulation platform using MATLAB

21、 software design, and using the MATLAB software provides a graphical user interface that gives a GUI based on MATLAB simulation platform of communication theory design. The platform aim at experiments and teaching requirements of communication principle, use design wizard GUI provide design tool, de

22、veloped a number of multiple simulation interface, and simulated more examples in communication teaching experiment content. This platform interface is simple in design, structure integration, with a strong demonstration, and the visibility is strong, easy to operate, graphics and dynamic simulation

23、 to demonstrate the principle of the communication of the abstract content and waveform, can be provided for teachers and students simple but efficient teaching aids . Key words: Communication principle, MATLAB, Simulation platform, GUI design基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计1引言引言随着现代科学技术的发展，传统的教学媒体如黑板、教科书、甚至多媒

24、体工具因为其承载信息的种类和能力都十分有限，已经远远满足不了现代教学的需求。另一方面，通信原理课程的抽象性使得同学和教师也感觉枯燥、难以理解。计算机技术的飞速发展和 MATLAB 软件的推出，利用计算机进行辅助教学这种教学手段已经进入课堂教学领域。MATLAB 是目前国际上流行的进行科学研究、工程计算的软件。在通信领域 MATLAB 更是优势明显，因为通信领域中有很多问题是研究系统性能的，传统的方法只有构建一个实验系统，采用各种方法进行测量，才能得到所需的数据，这样不仅需要花费大量的资金用于实验系统的构建，而且系统构建周期长，系统参数的调整也十分困难。而 MATLAB 的出现使得通信系统的仿真

25、能够利用计算机模拟实现，免去构建实验系统的不便，而且操作十分简单，只需要输入不同的参数就能得到不同情况下系统的性能，而且在结构的观测和数据的存储方面，也比传统的方式更加优越，因而 MATLAB 在通信仿真领域得到越多越多的应用。同时它也是通信原理学习的一个卓越平台，MATLAB 软件的开放性以及功能极强的矩阵运算，使得通信原理的学习无论是理论还是实践都变得不再枯燥无味。而利用MATLAB 软件设计的 GUI 图形用户界面，其形象的界面和波形的具体呈现，更是为这一实践提供了良好的实验的平台。通信原理课程内容丰富、理论性强、涉及知识面广、信息量大，而且比较抽象、习题多、难度大，是具有一定深度和学习

26、难度的课程。本文针对学生感到难学，教师难教的现状，结合 MATLAB，设计出基于 MATLAB 的通信原理仿真平台，为通信原理课程提供了一个有效的辅助教学手段，对提高通信原理教学和学习的效率起到很大的作用，有助于同学们理解和接受。在数字基带信号、模拟信号、数字信号、抽样量化等部分，为学生提供了很好的图像波形，锻炼其分析和解决问题的能力，并在功能上为其后期开发网络化教学、远程教学打下了基础。 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计21 设计工具介绍设计工具介绍1.1 MATLAB简介简介MATLAB 是美国 Math works 公司推出的一套高性能数值计算的可视化软件，自 1984 年问世

27、以来，历经了实践的检验，市场的筛选和时间的凝练，现在已经成为广大科研工作者、高校师生最常用和最可信赖的仿真软件之一。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，在系统建模和仿真、科学和工程绘图以及应用程序开发等方面有着广泛的应用。MATLAB 以著名的线性代数软件包 LINPAK和特征值计算软件包 EISPACK 的子程序为基础，发展为一种开发性程序设计软件，因此 MATLAB 已经由简单的矩阵计算分析软件发展成为通用性极高、带有多种实用工具的运算操作平台，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、数学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件。1.1.1 MATLAB 语言的发展历程和影响

28、语言的发展历程和影响Math works 公司推出 MATLAB 从 1984 年问世，到 1993 年推出 MATLAB4.0版本，从此告别了 DOS 版。4.x 版继承和发展了其原有的数值计算和图形可视能力，具有更强的可操作性。1991 年仲春，MATLAB 5.0 版问世，紧接着是 5.1、5.2，以及 1999 年春的 5.3版。到了 1999 年底，Mathematica 也已经升级到 6.0 版，它特别加强了以前欠缺的大规模数据处理能力，弥补了之前的不足。而近年 MATLAB 推出的 7.0 版本，相较于以前的版本，有了很大的改进和增补，在开发环境、程序设计、数值处理以及数据可视化

29、方面提供了许多新功能和更为有效的处理方法，是最近几年使用最广泛的版本。就影响而言，至今仍然没有一个别的计算机软件可与 MATLAB 相媲美。在国际学术界，MATLAB 已经被公认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流的学术刊物上，都可以看到 MATLAB 的应用。国内近几年也对MATLAB 有了很多研究。1.1.2 MATLAB 语言的特点语言的特点MATLAB 自其问世以来，就以数值计算称雄。而目前最常用的 MATLAB7.0 版本，软件性能有了很大的改善，增加了很多新的功能和有效的操作方法。开发环境：用户可以同时使用多个文件和图形窗口，可以根据自己的习惯和喜好来定制桌面环境，同时还

30、可以为自己定义常用的快捷键。代码开发：支持函数嵌套、有条件中断点，可以使用匿名函数定义单行函数。基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计3数值处理：在最新版本中，单精度算法、线性代数可以方便用户处理更大的单精度数据，0DE 可以求解泛函数，操作隐式差分等式和求解多项式边界值问题。数据可视化：提供新的绘图界面窗口，用户可以不输入 M 函数代码而直接在界面窗口中交互性地创建并编辑图形，同时可以直接从图形窗口中创建对应的 M 代码文件。文件 I/O 和外部应用程序接口：支持读入更大的文本文件，支持压缩格式的MAT 文件，用户可以动态加载、删除或者重载 Java，支持 COM 用户接口等。1.1.3

31、 MATLAB 的工作环境的工作环境所谓工作环境是指：帮助系统、工作内存管理、指令和函数管理、搜索路径管理、操作系统、程序调试和性能剖析工具等。工作环境的特点 1）大量引入图形用户界面 2）引入了全方位帮助系统 3）M 文件编辑、调试的集成环境 4）Notebook 新的安装方式1.2 MATLAB 在通信原理教学中的应用在通信原理教学中的应用1.2.1 MATLAB 的应用现状的应用现状MATLAB 的函数和命令几乎可以实现 C 或 FORTRAN 语言的全部功能，用户不懂 C 或者 FOR2TRAN 等高级语言也能开发出功能强大、界面友好、稳定可靠的程序来，开发周期大大缩短。若用户熟悉 C

32、 或 FORTRAN，MATLAB 提供了相应的接口，允许相互调用，因此 MATLAB 具有较好的开放性。MATLAB 的高效编程还体现在各类学科的专家在各自的领域用 MATLAB 编写的许多准确、高效的工具箱，工具箱实际上是对 MATLAB 进行扩展应用的一系列 MATLAB 函数（成为 M 文件） ，供用户方便地使用，诸如信号处理、图像处理、控制系统、工程优化及神经网络等工具箱。所以 MATLAB 逐步成为设计数值分析的各类学科教学与科学研究必不可少的工具。目前，国外很多工科类高校都将 MATLBA 作为必修课，实验室通常都配备装有 MATLAB 的计算机供学生学习和研究使用。而我国工科类

33、的教学还未能充分利用 MATLAB 强大功能，现有的 MATLAB 书籍大部分作为计算机应用工具书出现，基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计4未能与具体学科的教材有机地结合起来。1.2.2 MATLAB 在在通信原理通信原理教学中的应用教学中的应用通信原理课程是本科电子类、通信类专业的重要基础课程之一，但是通信原理的原理、概念抽象，理论性强，学生单凭老师上课的讲解难以掌握，尤其是课程中的许多章节内容，需要作图才能理解有关概念和原理，不然难以形成明确的解决问题的思路。目前，通信工程专业低年级学生已经开设计算机应用教程，把 MATLAB 的基础知识作为此课程的重要内容，使得学生能够掌握使用

34、MATLAB 这类工程计算机软件的基本技术，包括基本数学计算、矩阵处理、计算结果的可视化和符号运算等。教师在推动 MATLAB 的教学应用中也起着重要租用。教师通过应用 MATLAB 进行科研提高自身水平，只有通过科研才能深刻理解 MATLAB 强大的功能及其在工程中的应用，使得讲课做到科研与教学相长。1.3 通信原理仿真平台设计的必要性和可行性通信原理仿真平台设计的必要性和可行性通信原理是电子通信类相关专业的一门重要专业基础课程，是本科生后续课程和研究生课程的基础，它在专业课程体系中占有重要地位，该课程的主要任务是通过对通信原理理论知识的学习，培养学生对通信原理中数字、模拟等系统的分析和设计

35、能力等。课程特点是：内容丰富、理论性强、涉及知识面广、信息量大，而且比较抽象，是具有一定深度和学习难度的课程。因而课堂的教学必须建立一套包括理论讲授、计算机辅助教学、时间教学在内的全方位的课程教学新体系，充分调动教师和学生两方面的积极性，利用各种教学方法和手段，全面提高课程的教学质量。1.3.1 增加增加 MATLAB 内容的必要性和可行性内容的必要性和可行性1）必要性通信原理需要将所学的理论应用到实践中去，因此有必要一开始让学生以简单的 MATLAB 语言学习用计算机处理信号，另一方面，MATLAB 强大的可视化数据处理功能也能够弥补通信原理理论课程授课时的不足。例如，通信理论课程中常常出现

36、各种抽象的图形，想象图形就得花费不少时间，如果采用 MATLAB 语言，只需几条简单的指令立刻就能得到。增加 MATLAB 语言内容，可以促进通信原理理论的教学，提高学生兴趣，增强学生自己动手分析、设计系统的能力，而且老师在课堂上可以直观的演示，使抽象的理论变成生动的图形界面，有利于培养出知识面广、动手能力强、综合素质高的学生。基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计52）可行性MATLAB 语言可在目前各种类型的计算机上运行，安装简易。MATLAB 语言比一般的高级语言执行效率低，而其编程效率与可读性、可移植性要远远高于其他高级语言。将 MATLAB 加入到实验教学中，一方面让学生用简单的

37、 MATLAB 语言学习用计算机如何建模、如何分析和设计系统等，以强化原理的应用性，另一方面MATLAB 强大的可视化数据处理功能也可以弥补课程授课时的不足，以减少教师绘制图表的麻烦和不精确，还可避免传统理论教学中教师在黑板画图耗费时间及手工画图的不精确性，增加学生自己的动手能力，培养知识面更广，综合素质更高的学生。因此，在通信原理基础课程中增加 MATLAB 内容，不仅使学生掌握了理论教学的内容，同时也教给学生一些应用理论的手段。1.3.2 用用 MATLAB 做通信原理仿真平台的优点做通信原理仿真平台的优点通信原理课程学习过程中的数字基带信号、模拟调制、数字调制、抽样量化等内容，原理和实现

38、方法概念抽象，且画图比较难，学习起来难度比较大。MATLAB强大的绘图功能使得用图形来验证结论结果不再是一件繁琐的事情，直观、方便，且各种图形用 MATLAB 均能实现。基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计62 基于基于 MATLAB 的通信原理仿真平台整体构建方案的通信原理仿真平台整体构建方案2.1 仿真平台应用软件设计实现仿真平台应用软件设计实现2.1.1 总体结构设计总体结构设计软件采用 MATLAB 开发平台，利用其可视化的具有编程能力的图形用户界面GUI，按照控制教学、实验、应用等内容，设计出相应的仿真平台应用软件结构图（如图所示） 。系统主要界面由 6 个主要子窗口模块构成，

39、通过单击主界面上子模块相应的按钮即可启动相应的子窗口，MATLAB 的应用程序，以 M 文件形式出现，各软件模块主要的功能是实现教学大纲要求完成的实验。MATLAB 总体结构图 2-1：图 2-1 总体结构2.1.2 软件实现软件实现要将系统结构图中的内容在用户界面里表现出来，就必须有参数输入、结果输出、图形仿真输出等，且这些都能进行对比分析，因此要求开发出一个友好、操作简单、可读性强、易修改的图形用户界面。选择 MATLAB 中具有可视化编程能力的图形界面 GUI，将它提供的工具与编程经验结合起来，完成软件界面的创建。各级界面主要利用向导编辑器 GUIDE 中提供的空间，利用图标及其对应的功

40、能来设计友好的交互式界面。借助 GUI 设计面板提供的空间布置编辑器“Align0b-jects” ，很容易的对所选对象进行水平、垂直和间隔排列布置。基于MATLAB的通信原理仿真平台数字基带信号模拟调制数字调制抽样定理量化眼图基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计7通过图形界面中控件的操作来完成图形界面的功能，这些操作是通过函数代码的执行来完成的。函数代码的编制通过编写回调函数时实现，把函数代码放在一个自定义的 M 文件中，而在“callback”中只写上其文件名。当操作该控件时，系统会自动执行“callback”中所要求执行的内容，将子菜单界面所保存的文件名与主界面的菜单名关联起来，完

41、成相应的功能，从而实现整个软件设计。2.2 界面的设计方法界面的设计方法2.2.1 句柄图形及图形用户界面句柄图形及图形用户界面句柄图形就是将一个图形的每一个组建都视为一个对象，每一个对象都有一个独一无二的“句柄” ，根据这个句柄，就可以找到这个对象的各种属性，并进而更改这些属性，以产生不同的图形呈现效果。图形用户界面 GUI 是由各种图形对象，如图形窗口、图轴、菜单、按钮、文本框等构建的用户界面，是人机交流信息的工具和方法，在该界面内，用户可以根据界面提示完成整个工程，却不必去了解工程内部是如何工作的。GUI 设计既可以以基本的 MATLAB 程序设计为主，也可以以鼠标为主，利用 GUIDE

42、 工具进行设计。利用 GUIDE 设计图形用户界面时，可通过GUI 应用属性设置编辑器来设置对句柄操作的响应。2.2.2 GUIDE 的设计过程的设计过程1）GUI 设计工具简介在 GUIDE 设计环境中，需要用到的工具有属性编辑器、控件布置编辑器、菜单编辑器、对象浏览器、网络标尺设置编辑器以及 GUI 应用属性设置编辑器等。2）属性编辑器打开属性编辑器的方法有多种，最常用的是选中控件对象以后，点击工具条上的属性设置按钮，即可打开属性编辑器。通过该属性编辑器来对所选图形对象设置相关属性。3）控件布置编辑器在编辑 GUI 过程中，通过控件布置编辑器可以方便地设置面板上 GUI 控件的布局。选中需

43、要对齐的对象，然后选择工具条上的控件布置按钮，即可打开控件布置编辑器。在控件布置编辑器中可以设置 GUI 控件水平以及垂直布局，包括对齐方式以及控件间距等。4） 对象浏览器在 GUI 面板中点击对象浏览按钮可打开对象浏览器，在该浏览器中可以方便地基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计8显示出所有的图形对象，单击该对象则可以打开相应的属性编辑器。5） 菜单编辑器在 GUI 面板中点击菜单编辑按钮可打开菜单编辑器，通过菜单编辑器可以为图形界面添加、设置和修改菜单项，以及为右键添加快捷菜单。6） 网络标尺设置编辑器通过网络标尺设置编辑器，可以在 GUI 面板中添加网络以及标尺，来方便用户的界面设

44、计。7） GUI 应用属性设置编辑器通过该编辑器可以设定 GUI 界面缩放形式、GUI 对句柄操作的响应的方式，以及定义 GUI 的保存方式。8） GUI 设计面板GUI 设计面板是上述 GUI 设计工具应用的平台，面板上部提供了菜单和常用工具按钮，左边提供了多种 GUI 控件，如按钮、单选按钮、复选框、文本框等。进行GUI 设计时，首先点击 GUI 面板左边所需的控件，然后在右边的图形界面编辑区中再次单击某一恰当的位置，这是将在该位置上为图形界面添加以相应的控件，接下来，通过属性编辑器和对应编辑器对各控件设置相关属性和进行界面布置，以完善界面功能。2.2.3 基于基于 MATLAB 的通信原

45、理仿真平台主界面的通信原理仿真平台主界面考虑到需要解决数据传递问题和编写一些算法，在 GUIDE 中很难实现，而用M 文件可以生成非常复杂的界面，比较容易实现在不同窗口尺寸下给对象以合适的位置，同时文件创建的对象，可以方便的在 handle 中存取数据，因此本主界面的GUI 是通过 M 脚本文件实现的。如图 2-2 所示：基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计9 图 2-2 主界面基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计103 基于基于 MATLAB 的通信原理仿真平台模块的通信原理仿真平台模块3.1 数字基带信号的仿真数字基带信号的仿真数字基带信号是数字信息的电脉冲表示，电脉冲的形式称

46、为码型。通常把数字信息的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换，在有线信道中传输的数字基带信号又称为线路传输码型。本模块主要展示数字基带信号的常用码型波形。数字基带信号的类型举不胜举，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。如图 3-1 为整体模块界面： 图 3-1 数字基带信号模块3.1.1 单极性不归零码单极性不归零码单极性不归零码是一种最简单、最常用的基带信号形式。这种信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制 0 和 1。其特点是极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔。如图 3-2 为生成的单极性不归零码：基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计11图 3-2 单极性不归零码3.

47、1.2 单极性归零码单极性归零码单极性归零码与单极性不归零码的区别是电脉冲宽度小于码元宽度，每个电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平，即输入信息为 1 时给出的码元前半时间为1，后半时间为 0，输入为 0 时与不归零则完全相同。如图 3-3 为生成的单极性归零码：图 3-3 单极性归零码基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计123.1.3 双极性不归零码双极性不归零码在双极性不归零码中，脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码 1、0，由于它是幅度相等极性相反的双极性波形，故当 0、1 符号等可能出现时无直流分量。这样，恢复信号的判决点评为 0，因而不受信道特性变换的影响，抗干扰能力较强，较单

48、极性码更有利于在信道中传输。如图 3-4 为生成的双极性不归零码：图 3-4 双极性不归零码3.1.4 双极性归零码双极性归零码双极性归零码是双极性不归零码的归零形式，每个码元内的脉冲都回到零电平，表示信息 1 时前半段时间为 1 后半段时间为 0，表示信息 0 时前半段时间为-1 后半段时间为 0，相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。除了双极性不归零码的特点外，还有利于同步脉冲的提取。如图 3-5 为生成的双极性归零码：基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计13图 3-5 双极性归零码3.1.5 双相码（双相码（Manchester）编码规则为：对每个二进制代码分别利用两个具有不同相位的二

49、进制信码去取代的码，即采用在一个码元时间的中央时刻从 0 到 1 的跳变来表示信息 1，从 1 到0 的跳变来表示信息 0；或者用前半段时间为 0 后半段时间为 1 来表示 0，而前半段时间为 1 后半段时间为 0 表示信息 1。这种码只使用两个电平，且既能提供足够的定时分量，又无直流漂移，编码过程简单，但是码的带宽较宽些。如图 3-6 为生成的双相码：图 3-6 双相码基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计143.2 模拟调制模块模拟调制模块大量的消息信号是模拟的，它们可以直接借助模拟通信系统传输，也可以先转换成数字形式再借助数字通信系统传输。虽然数字通信是发展的主流趋势，但是至今为止仍

50、然有许多重要的通信系统还是模拟的，而且，有的通信过程还将继续采用模拟方法。模拟调制通常采用正弦波来携带基带消息信号，以便在频带信道中传输。调制方式有许多种，分为幅度调制与角度调制两大类，分别具有不同的带宽与抗噪声能力。本模块主要介绍幅度调制常见的几种调制。如图 3-7：图 3-7 模拟调制模块3.2.1 常规调幅常规调幅 AM标准调幅中的调制信号 m（t）带有直流分量，设 s（t）是载波，即： （） = 0（ + 0）其中，为载波频率，为起始相位，为载波的幅度。那么，已调信号为：00 （） = 0+ （）（ + 0）已调信号的包络与调制信号呈线性对应关系。（t）信号的振幅包络直接反映了信号的变

51、化规律。（）AM 调制信号代码及波形：A=str2num(get(handles.edit3,string);基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计15B=str2num(get(handles.edit5,string);C=str2num(get(handles.edit6,string);D=str2num(get(handles.edit7,string);dt=0.001;fc=D/2;T=5;N=T/dt;t=0:N-1*dt;mt=B*cos(C*pi*t);s_am=(A+mt).*cos(C*pi*fc*t);plot(t,s_am);hold on;plot(t,A+m

52、t,r-); title(AM);波形如图 3-8：图 3-8 AM 调制信号波形基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计163.2. 2 抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅在 AM 信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载波抑制，不附加直流分量，即可得到抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB） 。其时间波形的表示式为： （） = （）（ ）DSB 调制信号代码及波形：B=str2num(get(handles.edit5,string);C=str2num(get(handles.edit6,string);D=str2num(get(handles.edit7,s

53、tring);dt=0.001; fc=D/2; T=5; t=0:dt:T;mt=B*cos(C*pi*t); s_dsb=mt.*cos(B*pi*fc*t);plot(t,s_dsb); hold on; plot(t,mt,r-); title(DSB); 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计17图 3-9 DSB 调制信号波形3.2.3 单边带调制单边带调制单边带调制中只传送双边带的一个边带。因此产生单边带信号的最直观的方法是让双边带信号通过一个单边带滤波器，滤除不必要的边带，即可得到单边带信号。因此形成的单边带信号可以为保留的上边带，也可以为保留的下边带调制。SSB 调制信号

54、代码及波形：B=str2num(get(handles.edit5,string);C=str2num(get(handles.edit6,string);D=str2num(get(handles.edit7,string);dt=0.001; fc=D/2; T=5; t=0:dt:T;mt=B*cos(C*pi*t); s_ssb=real(hilbert(mt).*exp(j*C*pi*fc*t);plot(t,s_ssb); hold on; plot(t,mt,r-); 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计18title(SSB);图 3-10 单边带调制3.3 数字调制数字

55、调制数字信息有二进制和多进制之分，因此，数字调制可分为二进制调制和多进制调制。在二进制调制中，信号参量只有两种可能的取值：0 和 1，在多进制调制中，信号参量可能有 M 种取值。本模块主要介绍二进制数字调制常用的调制方法。如图3-11：图 3-11 数字调制基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计193.3.1 二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制数字幅度调制又称为幅度键控（ASK） ，二进制幅度键控记作 2ASK。利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1” ，无载波输出时表示发送“0” 。根据幅度调制的原理，2ASK

56、信号可表示为： =s（t）*0（）（ ）其中，为载波角频率，s（t）为单极性 NRZ 矩形脉冲序列。2ASK 信号的代码及其波形：x=str2num(get(handles.edit1,string);f=str2num(get(handles.edit2,string);t=0:2*pi/99:2*pi;ml=;cl=;for n=1:length(x) if x(n)=0; m=zeros(1,100); else x(n)=1; m=ones(1,100); end c=sin(f*t); ml=ml m; cl=cl c;endask=cl.*ml;subplot(211);基于 MA

57、TLAB 的通信原理仿真平台设计20plot(ml);axis(0 100*length(x) -0.1 1.1);subplot(212);plot(ask)title(2ASK);图 3-12 数字幅度调制3.3.2 二进制数字频率调制二进制数字频率调制数字频率调制又称为频移键控（FSK） ，二进制频移键控记作 2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK 信号便是符号“1”对应于载频 f1，而符号“0”对应于载频 f2（与 f1 不同的另一载频）的已调波形，而且 f1 与 f2 之间的改变是瞬间完成的。那么已调信号可表示为： 0（） =

58、 s（t） * cos（1 + ）+ s（t） * cos（2 + ）2FSK 信号的代码及其波形：x=str2num(get(handles.edit1,string);f1=str2num(get(handles.edit2,string);基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计21f2=str2num(get(handles.edit3,string);t=0:2*pi/99:2*pi;ml=;cl=;bl=;for n=1:length(x) if x(n)=0; m=ones(1,100); c=sin(f2*t); b=zeros(1,100); else x(n)=1; m=

59、ones(1,100); c=sin(f1*t); b=ones(1,100); end ml=ml m; cl=cl c; bl=bl b;endfsk=cl.*ml;subplot(211);plot(bl);axis(0 100*length(x) -0.1 1.1);subplot(212);plot(fsk);基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计22title(2FSK);图 3-13 数字频率调制3.3.3 二进制数字相位调制二进制数字相位调制绝对相位是利用载波的相位直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位 0 和 来分别表示“0”或“1” 。2PSK 已调信

60、号的时域表达式为： 2（） = s（t） * cos（ ）2PSK 信号的代码及其波形：x=str2num(get(handles.edit1,string);f=str2num(get(handles.edit2,string);t=0:2*pi/99:2*pi;ml=;cl=;bl=;for n=1:length(x) if x(n)=0; m=-ones(1,100); b=zeros(1,100);基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计23 else x(n)=1; m=ones(1,100); b=ones(1,100); end c=sin(f*t); ml=ml m; cl=

61、cl c; bl=bl b;endpsk=cl.*ml;subplot(211);plot(bl);axis(0 100*length(x) -0.2 1.1);subplot(212);plot(psk);title(2PSK);基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计24图 3-14 数字相位调制3.4 抽样定理抽样定理抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。能否由此样值序列重建原信号，是抽样定理要回答的问题。抽样定理也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。根据信号是低通型

62、还是带通型的，抽样定理分为低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分为均匀抽样和非均匀抽样；根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，又可分为理想抽样和实际抽样。本模块主要验证低通抽样定理。如图 3-15 所示：图 3-15 抽样定理低通信号的抽样定理是：设有一个频带限制在（0，）内的时间连续信号m（t） ，如果它以不少于 2次/秒的速率对 m（t）进行抽样，则 m（t）可由抽样的样值完全确定。主要可描述为：1）m（t）是低通信号，最高频率是；2）等间隔抽样抽样速率是=2，的单位是次/秒。有时也被称为抽样速率，单位是。此定理也称为均匀抽样定理，因为它用在

63、均匀间隔 T=1/2秒上给定信号的抽样值来表征信号。这意味着，若 m（t）的频谱在某一角频率以上为零，则m（t）中的全部信息完全包含在其间隔不大于 1/2秒的均匀抽样序列里，即在信基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计25号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。低通抽样定理验证代码及波形： fs=str2num(get(handles.edit1,string);A=str2num(get(handles.edit2,string);B=str2num(get(handles.edit3,string);C=str2num(get(handles.edit4,string);D=str

64、2num(get(handles.edit5,string);dt=0.01;t=0:dt:10;xt=A*sin(B*pi*t)+C*cos(D*pi*t);sdt=1/fs;t1=0:sdt:10;st=A*sin(B*pi*t1)+C*cos(D*pi*t1);t2=-50:dt:50;gt=sinc(fs*t2);stt=sigexpand(st,25);xt_t=conv(stt,gt);subplot(311);plot(t,xt);subplot(312);stem(t1,st);axis(0 10 -1 1);subplot(313);t3=-50:dt:60+sdt-dt;p

65、lot(t3,xt_t);基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计26axis(0 10 -1 1);=2：图 3-16 =2抽样=4：图 3-17 =4抽样=10：基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计27图 3-18 =10抽样3.5 量化量化利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程为量化。时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列，虽然在时间上离散，但在幅度上仍然是连续的，即抽样值 m（kT）可以取无穷多个可能值，因此仍属模拟信号。如果用 N 位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输的话，那么，N 位二进制码组只能同 M=个电平样值相对应，而不能同无穷多个可能

66、取值相对应。这就需要2把取值无限的抽样值划分成有限的 M 个离散电平，此电平被称为量化电平。本模块主要实现均匀量化的仿真。如图 3-19 所示：图 3-19 量化把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计28量化区间的量化电平均取在各区间的重点。其量化间隔（量化台阶）取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。均匀量化实现的代码及波形：function sqnr,x_qtz,code=UniPcm(x,n)xmax=max(abs(x);x_qtz=x/xmax;b_qtz=x_qtz;delta=2/n;q=delta*0:n-1-(n-1)/2*delta;for i=1:n index=find(q(i)-delta/2=x_qtz)&(x_qtz=q(i)+delta/2); x_qtz(index)=q(i)*ones(1,length(index); b_qtz(find(x_qtz=q(i)=(i-1)*ones(1,length(find(x_qtz=q(